Sewage treatment plant

Zgazowanie szlamów z oczyszczalni ścieków

Energia – do kotła, szlaka – na budowę!

prof. dr hab. inż. Włodzimierz Kotowski

           Już w początkach działalności rafinerii VEBA-OEL w Gelsenkirchen – przed I wojną światową – podjęto działania badawczo-wdrożeniowe nad uszlachetnianiem płynnych oraz mazistych pozostałości z przerobu ropy. Dziś te właśnie procesy nabrały szczególnego ekologicznego i ekonomicznego znaczenia w zagospodarowaniu oraz neutralizowaniu rozlicznych odpadów komunalnych i przemysłowych. Te właśnie procesy górują nie tylko ekonomiczną efektywnością nad spalaniem w elektrociepłowniach wymienionych wyżej odpadów, ale zapewniają mniejsze objętości głęboko zneutralizowanych oraz zutylizowanych pozostałości, spośród których sporo (szczególnie te zeszkliwione jako szlaka) znajdują gospodarcze zastosowanie. Omawiane procesy obejmują:

-          Pirolizę bogatych w heterogenne, silnie zapopielone materiały takie, jak odpady komunalne (łącznie ze szlamami z oczyszczalni ścieków) i specjalne, pochodzące z przemysłu.

-          Zgazowanie – dające wysokowartościowy półprodukt dla przemysłu petrochemicznego w postaci gazu syntezowego – prowadzące w dodatku do znacznej neutralizacji szkodliwych dla środowiska materiałów, przy czym proces ten poprzedzony jest pirolizą organicznych składników wraz z depolimeryzacją tworzyw sztucznych.

Specyficznością prezentowanej technologii jest wariantowe wykorzystanie gazu syntezowego (pozyskiwanego w pokaźnych ilościach), zawierającego głównie CO + H2 oraz dodatkowo wydzielonego oleju syntezowego w przemyśle petrochemicznym oraz rafineryjnym. Jeżeli jednak nie ma takich możliwości w okolicy, to można te półprodukty skierować do elektrociepłowni z turbinami gazowo-parowymi, które zapewniają dziś najwyższe sprawności.

Wskaźnik sprawności pirolizy oraz zgazowania odpadów komunalno-przemysłowych bywa szczególnie wysoki wówczas, gdy utylizację uzyskanych półproduktów sprzęgnie się z przemysłem rafineryjno-petrochemicznym oraz elektrociepłowniami, wyposażonymi w turbiny gazowo-parowe. Postępując technologicznie taką drogą, można uzyskać równocześnie wysokie efekty ekologiczne i ekonomiczne.

W przemyśle rafineryjnym procesy pirolizy oraz zgazowania są od wielu dziesięcioleci stosowane dla znacznego uszlachetnienia próżniowej pozostałości z destylacji ropy oraz pozostałości z hydrokrakingu powyższej.

Te procesy odgrywają w nowoczesnych technologiach utylizacji oraz neutralizacji odpadów komunalno-przemysłowych dodatkowo ważną rolę przez fakt, że można je również wykorzystać w – nabierających z roku na rok rosnącego znaczenia – procesach utylizacji surowców odnawialnych.

Zgazowanie zapewnia bowiem maksymalną możliwą redukcję objętości odpadów nieorganicznych poprzez ich zeszlakowanie lub zeszkliwienie, które w tej postaci znajdują zastosowanie w szeroko pojętym budownictwie. Zawarta w odpadach siarka zostaje metodą Clausa wydzielona prawie w całości i w dodatku o prawie 100-procentowej czystości, co zapewnia jej zastosowanie w procesie wulkanizacji kauczuku.

Stopień materiałowego wykorzystania organicznych odpadów poprzez sprzężenie procesów pirolizy ze zgazowaniem jest oczywiście znacznie wyższy, niż w innych technologiach. W dodatku proces zgazowania eliminuje w 100% dioksyny i furany, które przy parametrach temperatury oraz ciśnienia prezentowanej technologii nie mogą się odbudować. 

Zagospodarowanie przez pirolizę i zgazowanie

Opracowany w koncernie VEBA-OEL proces pirolizy i zgazowania odpadów komunalnych wraz ze szlamami oczyszczalni ścieków zaprezentowano w postaci schematu blokowego na rys. 1, który charakteryzuje się następującymi elementami:

-          Wstępna obróbka odpadów ma na celu najpierw ich uszlachetnienie, aby w procesie zgazowania uzyskać wysokowartościowe półprodukty dla dalszej przeróbki. Rozdzielenie tych operacji umożliwia ich zoptymalizowanie.

-          Wstępna obróbka rozdrobnionych odpadów komunalnych na drodze pirolizy zapewnia łatwe wydzielanie metali z wytworzonego koksu pokrakingowego, który jest w dodatku w uzyskanej postaci łatwy do zmielenia. Uzyskanie tak zaplanowanych efektów zapewnia zastosowany reaktor pirolizy w postaci bębna obrotowego, umieszczonego w płaszczu, w którym spala się część wytworzonego w generatorze zgazowania gazu syntezowego.

-          Celem zgazowania półproduktów z węzła pirolizy odpadów komunalnych – obejmujących gazy palne, opary lekkiego oleju i frakcję koksu – jest uzyskanie gazu syntezowego dla przemysłu rafineryjno–petrochemicznego lub dla elektrociepłowni, składającej się z turbin gazowo-parowych. Natomiast mineralne składniki odpadów zostają w procesie zgazowania stopione z resztkami metali, a następnie zeszkliwione podczas szybkiego schładzania.

Szczegółowo zaprezentowano wszystkie operacje procesowe na rys. 2: Najpierw podaje się odpady komunalne rozdrobnieniu do granulacji poniżej 200 mm. Następnie kieruje się je wprost do bębna obrotowego, będącego reaktorem pirolizy. Jest on ustawiony ukośnie, a czas przebywania stałych części substratu, wynoszący około 30 minut, bywa regulowany jego obrotami. Temperatura ścian obrotowego reaktora pirolizy jest utrzymywana w granicach 750-800 st. C. Ciśnienie procesu pirolizy wynosi 1 x 103 Pa, dzięki któremu nie ma zagrożenia dostania się z zewnątrz powietrza. Wyprowadzony z reaktora pirolizy koks jest najpierw schładzany, a potem na sicie wibracyjnym rozdrobniony, uwolniony od metali i przesiewany. Natomiast gazy oraz opary lekkiego oleju są z reaktora pirolizy kierowane do dwustopniowej kondensacji, a z niej oddzielnie kierowane do generatora zgazowania. Nie można wydzielonych gazów kierować wprost do opalania bębna reaktora pirolizy, gdyż zawierają one związki chloru oraz siarki, które usuwa się z gazu syntezowego po generatorze zgazowania.

Do zgazowania koksu oraz oleju popirolitycznego pod ciśnieniem 4-5 MPa stosuje się czysty tlen, przy czym temperaturę procesu, w wysokości około 1450 st. C utrzymuje się dodawaniem pary wodnej: półspalanie koksu jest silnie egzotermiczne, a jego zgazowanie parą wodną (C + H2O → CO + H2) jest procesem endotermicznym. W tej temperaturze nieorganiczne (mineralne) składniki odpadów ulegają stopieniu, a podczas schładzania zeszkliwieniu.

Wytworzony w górnej części generatora gaz syntezowy, zawierający głównie tlenek węgla oraz wodór obok niewielkich ilości dwutlenku węgla i metanu, przepływa wraz ze stopioną szlaką ku dołowi, wzdłuż płaszcza wodno-parowego. Pełni on rolę chłodnicy, działającej w systemie promieniowania cieplnego, ochładzając gaz syntezowy w mieszaninie ze szlaką z 1450 st. C do około 1000 st. C.

W dolnej części generatora znajduje się pierścieniowy rurociąg z wodnymi dyszami. Tu gaz syntezowy zostaje schłodzony do 380o st. C i przepływa do płuczki o konstrukcji dyszy Venturiego - dla wymycia chlorowodoru, amoniaku i śladowych ilości ciężkich metali. Natomiast szlaka wpada w generatorze do kąpieli wodnej, w której - w postaci zeszkliwionej - ulega granulacji i zostaje wyprowadzana poprzez śluzę na taśmę transportową do składowiska.

Gaz syntezowy - po płuczce Venturiego - przepływa przez separator do końcowej chłodnicy i kolejnego separatora. Ścieki wodne z węzła pirolizy (patrz rys. 2) i węzła zgazowania kierowane są do wspólnej oczyszczalni dla wydzielania szlamów oraz soli. Szlamy zostają zawrócone do procesu, a sól - po odparowaniu - bywa kierowana na składowisko odpadów. Zawarte w odpadach komunalnych organiczne związki siarki przechodzą w procesie zgazowania w H2S i COS. Są one silnie trujące oraz korodujące. Dlatego surowy gaz syntezowy jest teraz kierowany przez podgrzewacz do reaktora katalitycznej hydrolizy, w którym COS przechodzi z parą wodną w H2S.

Następnie jest selektywne wymywanie z gazu syntezowego siarkowodoru przy użyciu zimnego roztworu dietanoloaminy. Po desorbcji z tegoż na gorąco H2S, jest on metodą Clausa przetwarzany do czystej, granulowanej siarki, zużywanej w procesie wulkanizacji kauczuku w fabrykach opon i taśmociągów.

Po usunięciu siarkowodoru, gaz syntezowy przepływa do filtra z węglem aktywnym, na którym absorbuje się rtęć. Stąd ostatecznie oczyszczony gaz syntezowy można skierować w jednorazowym przepływie – osiągając 8-procentową konwersję – przez reaktor syntezy metanolu, a następnie (wariantowo można bezpośrednio) przez dwa szeregowo zainstalowane podgrzewacze do turbiny rozprężającej, sprzężonej z elektrogeneratorem. Potem gaz syntezowy w części przepływa do ogrzewania obrotowego reaktora pirolizy odpadów komunalnych, a resztę kieruje się do elektrociepłowni z turbinami gazowo-parowymi. 

Bilans masowy Sankeya przedstawionego kompleksu pirolizy oraz zgazowania odpadów komunalnych (łącznie ze szlamami z oczyszczalni ścieków) ilustruje rys. 3.

Zgazowanie szlamów

Bezpośrednie zgazowanie szlamów z oczyszczalni ścieków komunalnych i przemysłowych wg rys. 4 charakteryzuje się następującymi efektami:

-          Poprzez bezpośredni przerób w/w odpadów do gazu syntezowego, można wytwarzać energię elektryczną i ciepło z relatywnie wysoką sprawnością.

-          Uzyskuje się zeszlakowanie składników nieorganicznych, wiążących trwale ciężkie metale.

-          Następuje rozbicie dioksyn i furanów bez możliwości ich odtworzenia.

Proces tlenowego zgazowania szlamów przebiega pod ciśnieniem 5 MPa i ten fakt wymusza takie przygotowanie substratu, aby podajnik ślimakowy mógł równomiernie i bez wstecznego przenikania gazu wtłaczać go do generatora. Dlatego szlamy trzeba alternatywnie wysuszyć do 95% mas. i zmieszać z jakimkolwiek odpadowym ciężkim olejem węglowodorowym, albo podsuszyć do 75-60% mas., ale wówczas będzie znacznie większe zużycie tlenu w procesie zgazowania, co odbije się negatywnie na kosztach eksploatacyjnych instalacji. Pozostałe operacje technologiczne są podobne do przedstawionych na rys. 2 i zostały wcześniej opisane.

Ekonomika

Parametry procesowe oraz uzyski gazu syntezowego podczas zgazowania koksu z pirolizy odpadów komunalnych oraz szlamów z oczyszczalni ścieków zaprezentowano tabelą 1.

Tabela 1

Parametry zgazowania koksu z pirolizy odpadów komunalnych oraz szlamów z oczyszczalni ścieków wraz z charakterystyką uzyskiwanych gazów.

Tabela 2

Koszta inwestycyjne oraz eksploatacyjne wytwórni pirolizy i zgazowania odpadów komunalnych oraz zgazowania szlamów z oczyszczalni ścieków.

W tabeli 2 przedstawiono koszta inwestycyjne (bez tlenowni) oraz eksploatacyjne wytwórni pirolizy wraz ze zgazowaniem odpadów komunalnych i zgazowania szlamów z oczyszczalni ścieków. Bazą przedstawionych kosztów eksploatacyjnych są następujące ceny: tlen – 1,12 euro/m sześc., energia elektryczna – 85 euro/MWh, woda procesowa – 0,25 euro/m sześc., woda chłodząca – 0,025euro/m sześc. i wodny roztwór 50% NaOH – 0,15 euro/kg.

Z tabeli 2 wynika, że koszta budowy kompleksu pirolizy i tlenowego zgazowania 25 t/h odpadów komunalnych (bez tlenowni) wynoszą 110 mln euro, a instalacji zgazowania 2 t/h szlamów z oczyszczalni ścieków - osiągają 12,5 mln euro.

Koszta eksploatacji w/w obiektów przemysłowych wynoszą 109,75 euro/tonę przetwarzanych odpadów komunalnych oraz 125,25 euro/tonę zgazowanych szlamów z oczyszczalni ścieków.

Przedstawione nakłady dowodzą jednocześnie, że piroliza i zgazowanie odpadów komunalnych oraz zgazowanie szlamów z oczyszczalni ścieków, ewent. wspólnie z odpadowymi olejami węglowodorowymi, przynoszą nie tylko wymierne efekty w ochronie środowiska, ale również znaczne korzyści ekonomiczne ze sprzedaży wyprodukowanej energii elektrycznej i ciepła.

Efektywniejsze jest jednak wykorzystanie gazu syntezowego najpierw w przemyśle rafineryjno-petrochemicznym, a resztkowego - w fabrycznej elektrociepłowni.